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DE102016122002A1 - Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug und Verfahren zum Aufladen einer Energiespeicherzelle eines Fahrzeugs - Google Patents

Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug und Verfahren zum Aufladen einer Energiespeicherzelle eines Fahrzeugs Download PDF

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DE102016122002A1
DE102016122002A1 DE102016122002.7A DE102016122002A DE102016122002A1 DE 102016122002 A1 DE102016122002 A1 DE 102016122002A1 DE 102016122002 A DE102016122002 A DE 102016122002A DE 102016122002 A1 DE102016122002 A1 DE 102016122002A1
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vehicle
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charging
energy storage
storage cell
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DE102016122002.7A
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Thomas Kristof
Dirk Herke
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Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die vorliegenden Erfindung schlägt ein Fahrzeug vor, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, mit einer Ladevorrichtung zum Aufladen einer fahrzeugintegrierten Energiespeicherzelle durch eine externe Spannungsquelle, wobei die Ladevorrichtung eine Ladungspumpe zum Einstellen eines Spannungsverhältnisses zwischen einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung aufweist, wobei die Ladungspumpe mindestens zwei diskrete Spannungsverhältnisse bereitstellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, und ein Verfahren zum Aufladen einer Energiespeicherzelle eines Fahrzeugs.
  • Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie werden typischerweise von elektrischen Maschinen angetrieben, die wiederum von einer Energiespeicherzelle, beispielsweise einer Hochspannungsbatterie, versorgt werden. Hierzu muss die Energiespeicherzelle regelmäßig aufgeladen werden und wird zu diesem Zweck mit einer externen Spannungsversorgung, z. B. einer Ladestation, verbunden. In manchen Fällen ist eine Spannungsverdopplung, mit der die Spannung der externen Spannungsversorgung verdoppelt wird, erforderlich, um eine adäquate Ladespannung für die Energiespeicherzelle bereitzustellen. Diese Spannungsverdopplung wird insbesondere von einer Ladevorrichtung vorgenommen, die beim Aufladen zwischen der Energiespeicherzelle und der externen Spannungsversorgung zwischengeschaltet ist. Mittels einer einfachen Ladungspumpe lässt sich hierbei beispielsweise eine simple Spannungsverdopplung realisieren.
  • Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt die Ladespannung während des Aufladens anzupassen. So eine Spannungsanpassung erfolgt in der Regel durch einen Gleichspannungswandler.
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitzustellen, dessen Ladevorrichtung möglichst kompakt und leicht ist und mit der ein effektiveres Aufladen der Energiespeicherzelle möglich ist, als es beim Aufladen mit einer einfachen Ladungspumpe der Fall ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, mit einer Ladevorrichtung zum Aufladen einer fahrzeugintegrierten Energiespeicherzelle durch eine externe Spannungsquelle, wobei die Ladevorrichtung eine Ladungspumpe zum Einstellen eines Spannungsverhältnisses zwischen einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung umfasst, wobei die Ladungspumpe zum Einstellen verschiedener Spannungsverhältnisse mindestens zwei Zwischenschaltkreise aufweist.
  • Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Ladungspumpe mindestens zwei Zwischenschaltkreise auf. Gegenüber einer einfachen Ladungspumpe hat die erfindungsgemäße Ladungspumpe den Vorteil, dass sie zwischen verschiedenen diskreten Spannungsverhältnissen während des Aufladens wechseln kann, so dass zumindest eine teilweise Anpassung der Eingangsspannung an eine optimierte Ladespannung möglich ist und so kurze Ladezeiten realisierbar sind. Gegenüber den Gleichspannungswandlern, hat die erfindungsgemäße Ladungspumpe den Vorteil, dass sie weniger komplex ist und sich einfach realisieren lässt, so dass sich entsprechende Vorteile im Hinblick auf Gewicht und Kosten ergeben.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei der externen Spannungsversorgung um eine Ladestation, mit der die Energiespeicherzelle in elektrische Verbindung gebracht wird. Dabei ist die Ladevorrichtung insbesondere zwischen der Energiespeicherzelle und der Ladestation zwischengeschaltet. Vorzugsweise ist die Ladevorrichtung dabei in das Fahrzeug integriert. Ferner ist es vorgesehen, dass die Ladevorrichtung dazu ausgestaltet ist, während des Aufladens zwischen mindestens zwei Spannungsverhältnissen, zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung zu wechseln. Gegenüber einer einfachen Ladungspumpe, bei der durch das Zusammenschalten einer primären Masche und einer sekundären Masche am Ausgang eine Spannungsverdopplung realisiert wird, ist es insbesondere bei der erfindungsgemäßen Ladungspumpe vorgesehen, dass die sekundäre Masche mindestens zwei Zwischenschaltkreise aufweist. Abhängig davon, wie die Zwischenschaltkreise zueinander verschaltet werden, trägt die zweite Masche jeweils zur Spannungsbildung am Ausgang der Ladevorrichtung bei. Zum Verschalten der Schaltkreise untereinander sind Schalter vorgesehen. Ferner ist es vorgesehen, dass jeder Zwischenschaltkreis eine Diode und einen Zwischenschalkreiskondensator aufweist. Dabei wird in den jeweiligen Zwischenschaltkreiskondensatoren die elektrische Energie gespeichert, die für die Einstellung des jeweiligen Spannungsverhältnisses erforderlich ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausgangsspannung an der Energiespeicherzelle anliegt und beim Laden der Energiespeicherzelle die Spannung der externen Spannungsversorgung als Eingangsspannung an der Ladungspumpe anliegt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ladungspumpe zwei Zwischenschaltkreise aufweist, die zur Einstellung verschiedener Spannungsverhältnisse wahlweise parallel oder in Serie schaltbar sind. Vorzugsweise gibt es genau zwei Zwischenschaltkreise und die Ausgangsspannung ist wahlweise das Doppelte der Eingangsspannung oder das 1.5- fache. Die beiden Zwischenschaltkreise können nicht nur parallel oder seriell entladen werden, sondern theoretisch auch nur einer entladen werden und der Zweite geladen bleiben.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ladevorrichtung eine Steuervorrichtung zum automatischen Einstellen des Spannungsverhältnisses aufweist. Mittels der Steuereinrichtung lässt sich beispielsweise rechtzeitig beim Aufladen zwischen zwei Spannungsverhältnissen wechseln.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Ladungspumpe derart ausgestaltet ist, dass mehrere feste Spannungsverhältnisse einstellbar sind. Mit zunehmender Anzahl an Zwischenschaltkreisen lässt sich dabei die Anzahl der potenziell einstellbaren Spannungsverhältnisse einstellen. Vorzugsweise ist die Anzahl der Zwischenschaltkreise angepasst an den Anwendungsfall bzw. den fahrzeugtypspezifischen Bedarf.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Aufladen einer fahrzeugintegrierten Energiespeicherzelle, insbesondere einer fahrzeugintegrierten Energiespeicherzelle in einem erfindungsgemäßen Fahrzeug, wobei mittels einer mehrere Zwischenschaltkreise aufweisenden Ladungspumpe zwischen mehreren festen Spannungsverhältnissen zwischen einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung gewechselt wird.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
    • Die 1 zeigt eine Ladestation zusammen mit einem Fahrzeug gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • Die 2 zeigt eine Ladungspumpe für ein Fahrzeug aus der 1.
  • In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
  • In 1 ist eine Ladestation 4 zusammen mit einem Fahrzeug 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Ladestation 4 dient hierbei als externe Spannungsquelle, mit der eine in das Fahrzeug 1 integrierte Energiespeicherzelle 2 aufgeladen wird. Insbesondere handelt es sich um eine Energiespeicherzelle 2, die als Energieversorgung für eine elektrische Maschine, die das Fahrzeug antreibt, dient. Zum Aufladen solcher Energiespeicherzellen 2 sind vergleichsweise hohe Ladespannungen, beispielsweise 800 V, erforderlich. Um die Energiespeicherzelle 2 aufzuladen, wird diese mit der Ladestation 4 verbunden. Hierzu weist das Fahrzeug 1 beispielsweise eine Schnittstelle auf, über die die Energiespeicherzelle 2 mit der Ladestation 4 verbunden wird. Für einen möglichst optimalen Aufladevorgang wird eine Ladevorrichtung 3 zwischen die fahrzeugintegrierte Energiespeicherzelle 2 und die Ladestation 4 zwischengeschaltet. Diese sorgt dafür, dass die von der Ladestation 4 bereitgestellte Spannung in eine geeignete Ladespannung umgewandelt wird. Dabei wird die von der Ladestation bereitgestellte Spannung als Eingangsspannung 8 an die Ladevorrichtung 3 angelegt und die Ladevorrichtung stellt als Ausgangsspannung 9 der Energiespeicherzelle 2 die optimierte Ladespannung zur Verfügung. Möchte man eine kontinuierliche Einstellung des Spannungsverhältnisses zwischen Eingangsspannung 8 und Ausgangsspannung 9 realisieren, die es wiederum erlaubt die Ladespannung während des Aufladens optimal anzupassen, bedarf es eines Gleichspannungswandlers bzw. DC/DC-Wandlers, der vergleichsweise schwer, bauraumfüllend und in der Anschaffung kostenintensiv ist. Eine einfache Ladungspumpe, bei der die von der Ladestation bereitgestellte Spannung nur vervielfältigt, insbesondere verdoppelt wird, kann wiederum die Ladespannung während des Aufladens nicht anpassen.
  • Erfindungsgemäß ist daher eine Ladungspumpe mit mindestens zwei Zwischenschaltkreisen 5 vorgesehen, die wahlweise parallel oder seriell geschaltet werden, so dass zwischen verschiedenen diskreten bzw. festen Spannungsverhältnissen während des Aufladens gewechselt werden kann. Dadurch kann man in vorteilhafterweise eine vergleichsweise einfache Schaltung dazu nutzen, eine sich während des Aufladens zeitlich ändernde Ladespannung bereitzustellen, ohne auf die vergleichsweise bauraumfüllenden und schweren Gleichspannungswandler zurückgreifen zu müssen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass mit zunehmender Anzahl an Zwischenschaltkreisen 5 die Anzahl an potentiell einstellbaren Spannungsverhältnissen steigt. Hierbei ist es insbesondere vorstellbar, dass die Zahl der Zwischenschaltkreise 5 an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst ist, so dass je nach Bedarf ein ausgewogenes Verhältnis aus der Anzahl der Zwischenschaltkreise 5 und der Komplexität der Gesamtschaltung realisiert werden kann.
  • In 2 ist beispielhaft ein Schaltplan für eine Ladungspumpe mit zwei Zwischenschaltkreise n 5 für ein Fahrzeug 1 aus der 1 dargestellt. Dabei ist es vorgesehen, dass die Ausgangsspannung 9 über einen Primärkondensator 11 und einen Sekundärkondensator 12 abgegriffen wird. Dabei ist der Primärkondensator 11 Teil einer primären Masehe 6 und der Sekundärkondensator Teil einer sekundären Masche 7. Die sekundäre Masche 7 wiederum umfasst die zwei Zwischenschaltkreise 5, die jeweils eine Diode 14 und einen Zwischenschaltkreiskondensator 10 aufweisen. Abhängig davon, ob diese beiden Zwischenschaltkreise 5 parallel oder in Serie zueinander geschaltet sind, wird eine entsprechende Spannung am Sekundärkondensator 12 abfallen. Zum Verschalten der Zwischenschaltkreise 5 und damit zum Wechseln des Spannungsverhältnisses beim Aufladen, sind Schalter 13 vorgesehen, die wahlweise geschlossen oder geöffnet werden. Mit anderen Worten: Über die Schaltung der Zwischenschaltkreise 5 zueinander lässt sich der Spannungsabfall über dem Sekundärkondensator 12 festlegen, wodurch sich ein die Gesamtspannung festlegender Spannungsfall über den Primärkondensator 11 und den Sekundärkondensator 12 einstellen lässt. Damit lässt sich das Spannungsverhältnis zwischen Eingangsspannung 8 und Ausgangsspannung 9 verändern. Insbesondere lässt sich die Eingangsspannung 8 verdoppeln, wenn die Zwischenschaltkreise 5 in Serie geschaltet sind, und eine Ausgangsspannung 9, die dem 1,5-fachen der Eingangsspannung 8 entspricht, bereitstellen, wenn die Zwischenschaltkreise 5 parallel geschaltet sind. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die im Schaltkreis vorgesehenen Schalter 13 zumindest teilweise periodisch schalten, um die Zwischenschaltkreiskondensatoren 10 aufzuladen.

Claims (7)

  1. Fahrzeug (1), insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, mit einer Ladevorrichtung (3) zum Aufladen einer fahrzeugintegrierten Energiespeicherzelle (2) durch eine externe Spannungsquelle, wobei die Ladevorrichtung (3) eine Ladungspumpe zum Einstellen eines Spannungsverhältnisses zwischen einer Eingangsspannung (8) und einer Ausgangsspannung (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungspumpe zur Einstellung verschiedener Spannungsverhältnisse mindestens zwei Zwischenschaltkreise (5) aufweist.
  2. Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Ausgangsspannung (9) an der Energiespeicherzelle (2) anliegt und beim Laden der Energiespeicherzelle (2) die Spannung der externen Spannungsversorgung als Eingangsspannung (8) an der Ladungspumpe anliegt.
  3. Fahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladungspumpe zwei Zwischenschaltkreise (5) aufweist, die zur Einstellung verschiedener Spannungsverhältnisse wahlweise parallel oder in Serie schaltbar sind.
  4. Fahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladevorrichtung (3) eine Steuervorrichtung zum automatischen Einstellen der Spannungsverhältnisse aufweist.
  5. Fahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ladungspumpe derart ausgestaltet ist, dass mehrere diskrete Spannungsverhältnisse einstellbar sind.
  6. Fahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die fahrzeugintegrierte Energiespeicherzelle (2) zur Energieversorgung einer elektrischen Maschine vorgesehen ist.
  7. Verfahren zum Aufladen einer fahrzeugintegrierten Energiespeicherzelle (2), insbesondere einer fahrzeugintegrierten Energiespeicherzelle (2) in einem Fahrzeug (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels einer, mindestens zwei Zwischenschaltkreise (5) aufweisenden Ladungspumpe, zwischen mehreren diskreten Spannungsverhältnissen, zwischen einer Eingangsspannung (8) und einer Ausgangsspannung (9) gewechselt wird.
DE102016122002.7A 2016-11-16 2016-11-16 Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug und Verfahren zum Aufladen einer Energiespeicherzelle eines Fahrzeugs Pending DE102016122002A1 (de)

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